Исследование проблемы усталости металлов в авиастроении: история вопроса

реферат

1. Первые исследования усталости металлов

Тот факт, что металлический стержень, подвергнутый действию большого числа циклов повторного напряжения, приобретает способность разрушаться под значительно меньшими нагрузками, чем это требовалось бы в условиях статического нагружения, был установлен уже давно инженерами-практиками. В своих лекциях для работников города Меца Понселе говорит об усталости металлов под повторным воздействием растяжения и сжатия[19].

Морэн в своем руководстве по сопротивлению материалов [20] останавливается на чрезвычайно интересных отчетах двух инженеров, служивших в почтовом ведомстве на французских шоссейных дорогах. Эти инженеры рекомендовали производить тщательный технический осмотр осей в почтовых каретах после эксплуатационного пробега ими 70 000 км, мотивируя это тем, что, как показал опыт, в результате, по-видимому, такой работы в них появляются тонкие трещины в местах, где имеются резкие изменения профиля, в особенности в острых входящих углах. Они дают интересное описание картины постепенного образования этих трещин и отмечают хрупкий характер развития. При всем том, однако, они не разделяют (в то время принятой) теории, согласно которой повторные напряжения влекут за собой рекристаллизацию железа. Статические испытания осей, прошедших большую службу в эксплуатации, не обнаружили никаких изменений во внутренней структуре металла.

С развитием железнодорожного строительства проблема усталостного разрушения паровозных осей приобрела серьезное значение. Вероятно, первой научной работой на английском языке по этому вопросу была статья Маккуорна Рэнкина (W. J. Масquorn Rankine) [21]. Неожиданные, после многолетней работы, поломки доброкачественных по внешнему виду осей (рис. 2) объяснялись обычно гипотезой, согласно которой волокнистая структура сварочного железа приобретает постепенно кристаллическое строение. Рэнкин показывает, что постепенное ослабление материала происходят здесь без утраты волокнистой структуры. По его словам, «излом начинается, по-видимому, с появления гладкой, имеющей правильную форму мельчайшей трещинки, которая затем опоясывает, почти замыкаясь, шейку вала и проникает вглубь ее в среднем на 12-13 мм. Подобные трещины проникают, по-видимому, с поверхности в центральную часть, так что поврежденный конец шейки получается выпуклым, средняя же часть оси по необходимости вогнутой, и тогда диаметр внутреннего цилиндрического ядра неповрежденного материала становится недостаточным, чтобы выдерживать удары, которым подвергается ось. Часть волокон, составляющая внутреннее ядро тела у его оси, становится менее упругой, чем в шейке, и возможно, что в углах волокна сдают именно по той причине, что упругое состояние здесь внезапно исчезает. По этим соображениям при изготовлении осей рекомендуется до поступления их на токарные станки очерчивать углы шеек по пологим кривым, так чтобы волокно сохраняло непрерывность по всей своей длине».

Рис. 2. Рисунок излома оси из-за усталости металла, 1843 год.

В 1849--1850 гг. этот вопрос обсуждался на нескольких собраниях Лондонского института инженеров-механиков. Джемс Мак-Коннелл представил доклад [21] о железнодорожных осях, в котором он заявляет: «Наш практический опыт как будто подтверждает, что даже при условии величайшей тщательности в изготовлении эти оси под воздействием вибраций подвержены быстрому повреждению, которое сказывается еще резче благодаря особенностям их формы. Изломы в углах колен по этой причине почти столь достоверны и регулярны, что в отношении некоторых типов машин мы способны даже предсказать число миль, которое они должны пробежать для того, чтобы появились видимые признаки разрушения... Проблема повреждения осей, возникающего по разным перечисленным мною причинам, представляет большую важность для всех железнодорожных компаний; то, что при этом происходит какое-то изменение природы железа, является хорошо установленным фактом, и изучение его заслуживает как нельзя более тщательного внимания... Переход волокнистой структуры в кристаллическую должен быть, как мне думается, поставлен в связь с рядом разнообразных обстоятельств. Несколько собранных мною образцов, взятых из разных мест осей, подвергшихся разрушению, ясно подтверждают мой взгляд».

«В настоящем докладе невозможно охватить все факты, относящиеся к этой стороне вопроса; однако отчетливое понимание природы повреждения осей представляет для меня столь высокую ценность, что я регистрирую теперь каждую ось, поступающую с завода, и стремлюсь получать также отчеты об их эксплуатационных характеристиках и внешнем виде за отдельные периоды их службы, чтобы они позволили мне судить о том, как с ними следует поступать, чтобы повысить их качество. Если учесть, что на железных дорогах Великобритании находится в эксплуатации около 200 000 осей, то для всякого должно стать очевидным, сколь большие преимущества можно будет извлечь из того, что такой существенный элемент железнодорожного подвижного состава, как ось, получит наиболее рациональные очертания, наилучшие качества и наилучшую обработку». Мак Коннелл сопровождает эти соображения ценным советом: «Весь мой практический опыт подтверждает желательность того, чтобы... при профилировании шеек осей, насколько только это возможно, были исключены острые углы и резкие изменения диаметра, т. е. все нарушения прочности сечений».

Последующее обсуждение доклада сосредоточилось в основном на вопросе о том, изменяется структура железа под действием циклов растяжения и сжатия или не изменяется. Никакого общего заключения по этому вопросу достигнуто не было, и председатель собрания Роберт Стефенсон закрыл заседание следующим замечанием: «Мне хотелось бы лишь предостеречь членов Института от успокоения, прежде чем не будет достигнута полная ясность в вопросе молекулярного изменения железа, так как вопрос этот представляет чрезвычайную важность, а поломка одной- единственной оси в одном- единственном случае всякий раз вновь поставит этот вопрос, независимо от того, будет ли к инженеру и техническому инспектору предъявлено обвинение в человекоубийстве или не будет. Исследование в этой области требует, следовательно, величайшей осторожности, и в нашем распоряжении нет очевидных доказательств, с помощью которых мы могли бы установить, что ось обладала волокнистой структурой до излома и приобрела кристаллическую после излома. Я хочу поэтому, чтобы вы, члены Института, поскольку вы имеете дело с производством железа, призадумались бы, прежде чем вы придете к решению, что железо есть вещество, способное к кристаллизации или к молекулярному изменению под воздействием вибраций...».

Обсуждение этого вопроса продолжалось и на заседаниях Института, происходивших в 1850 г. и освещенных в печатных трудах, относящихся к этому году. Весьма интересная мысль была подана на одном из этих заседаний Ходжем (P. R. Hodge) [22]: «Чтобы прийти к сколько-нибудь достоверным выводам относительно структуры железа, необходимо было бы обратиться к помощи микроскопа и рассмотреть волокнистую и кристаллическую структуры». Этому совету последовал Стефенсон, заявивший (на следующем заседании), что он имел случай исследовать образец железа, известного как «кристаллическое», и другой образец железа, «волокнистого», под микроскопом с большим увеличением и что он, вероятно, удивит членов Института сообщением, что никакой реальной разницы между ними он обнаружить не сумел.

Испытуемый образец

Рис. 3. Машина Джемса -- Гальтона для испытаний на выносливость.

Почти в то же самое время, пока происходила эта дискуссия по вопросам усталости на заседаниях Института инженеров-механиков в Лондоне, интересная работа по тому же вопросу была проведена комиссией, сформированной в 1848 г. для обследования применений железа в железнодорожных сооружениях. В плане работ этой комиссии капитанами Генри Джемсом (Henry James) и Гальтоном (Galton) было предпринято в Портсмуте экспериментальное исследование прочности железных брусьев, подвергнутых большому числу циклов загружения. Для того чтобы загружать брус изгибающей нагрузкой, а затем внезапно разгружать его, был применен вращающийся эксцентрик (рис. 3), причем частота производимых им изгибов изменялась в интервале от 4 до 7 в минуту. Из числа брусьев, подвергнутых этим испытаниям, «три выдержали 10 000 циклов изгиба, равного тому, который вызывается нагрузкой, составляющей 1/3 от статической разрушающей нагрузки, не получив никакого явного ущерба в своей способности сопротивляться статическим нагрузкам; один брус разрушился цосле 51 538 таких изгибов, другой же вынес 100 000 таких изгибов без всякого заметного снижения прочности, между тем как три бруса, испытавших на том же эксцентрике повторный изгиб равный тому, который вызывается статической нагрузкой, составляющей 1/2 от разрушающей, разрушились соответственно после 490, 617 и 900 циклов. Отсюда поэтому следует заключить, что железные брусья способны выдерживать безвредно повторное приложение нагрузки, составляющей только 1/3 от разрушающей».

Фейрбейрн чрезвычайно интересовался вопросом, как отражается на прочности трубчатых мостов повторное нагружение их весом проходящих поездов. Он поставил перед собой задачу найти то наибольшее напряжение, которое можно было бы приложить неопределенно большое число раз, не нанося этим никакого вреда материалу. Таким путем он мог бы вычислить безопасное рабочее напряжение. Он указывает, что при проектировании больших трубчатых мостов размеры их назначались таким образом, чтобы разрушающая нагрузка на них «превышала в 6 раз ту самую тяжелую нагрузку, которой они могли бы быть подвергнуты, если бы при этом была снята половина веса самой трубы. Это было признано соответствующим достаточному запасу прочности; однако последующие соображения, сопутствовавшие введению нового конструктивного принципа при использовании еще не испытанного в практике материала, побудили повысить запас прочности, так что временное сопротивление стало превышать наиболее возможный тяжелый груз уже не в 6, а в 8 раз». После этого Фейрбейрн переходит к обсуждению требований Министерства торговли, согласно которым «все будущие мосты для железнодорожного транспорта не должны загружаться свыше чем на 788 кг/см2 (5 т на 1 кв. дюйм)». Он (правильно) замечает, что сжатая стенка в трубчатых мостах может подвергнуться короблению при сравнительно низких напряжениях и что во избежание этого нужно применить ячеистую конструкцию.

Для того чтобы определить безопасное значение рабочего, напряжения для мостов, Фейрбейрн решил провести испытания таким образом, чтобы деформации, возникающие в мостах при проходе по ним тяжелых железнодорожных поездов, обнаруживались бы как можно раньше. С этой целью была применена двутавровая балка А (рис. 4) длиной 6,6 м, высотой 40 см. склепанная из полосового железа и уголков. Начальный прогиб был произведен грузом D, приложенным на конце С рычага ВС, Для того чтобы создать цикличность нагружения, концу С рычага ВС сообщалось попеременное вертикальное движение от стержня СЕ, прикрепленного к равномерно вращавшемуся эксцентрику. Таким образом балка нагружалась 7--8 раз в минуту. Из испытаний выяснилось, что «балка из сварочного железа, будучи нагруженной растягивающим напряжением до 1100 кг/см2, не может быть признана надежной, если это напряжение создается попеременным наложением и снятием нагрузки, т. е. если балка подвергается таким путем определенному достаточно большому числу вибраций и притом, что особенно важно, если 300 000-400 000 перемен нагрузки, осуществленных описанным, способом, достаточно, чтобы с достоверностью вызвать излом.

Рис. 4. Машина Фейрбейрна для усталостных испытаний.

Следует, однако, иметь в виду, что балка, послужившая поводом для таких заключений, выдержала свыше 3 000 000 циклов при напряжении около 788 кг/смг, в связи с чем как результат экспериментов следует признать, что растягивающее напряжение в 788 кг /см2, фиксированное в качестве допускаемого для балок Министерством торговли, обеспечивает, по-видимому, достаточный запас прочности». Мы видим, что уже в середине XIX века инженерам было известно отрицательное влияние повторности напряжений на прочность металлов и что на основании нескольких проведенных ими экспериментов они пришли к заключению, что нагрузка, действующая попеременно, может быть признана безопасной, если она не превышает 1/3 от разрушающей статической нагрузки.

Делись добром ;)